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DE1783180A1 - Verfahren und vorrichtung zur reduktion von eisenerz - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur reduktion von eisenerz

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DE1783180A1
DE1783180A1 DE19651783180 DE1783180A DE1783180A1 DE 1783180 A1 DE1783180 A1 DE 1783180A1 DE 19651783180 DE19651783180 DE 19651783180 DE 1783180 A DE1783180 A DE 1783180A DE 1783180 A1 DE1783180 A1 DE 1783180A1
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iron
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Description

Reduktion von Eisenerz (Ausscheidung aus Patentanmeldung P 14 58 737.2)
Bekanntlich erfolgt die Gewinnung von,Eisen aus Eisenerzen im allgemeinen in einem Hochofen, welcher einen Schachtofen darstellt, in dem das Eisenerz, Koks und Kalkstein"oben eingeführt werden und aus dem flüssiges Eisen und Schlacke unten in Abständen von einigen Stunden abgestochen werden. Ein Wind aus vorerhitzter Luft wird durch Winddüsen eingeführt, die im unteren Teil des Ofens gelegen sind. Der Sauerstoff der Luft vereinigt sich mit dem Koks unter Bildung von Kohlenmonoxyd, welches wiederum das Eisenerz reduziert unter Freisetzung von Eisen und Bildung von Kohlendioxyd. Das freigesetzte Eisen wird durch die Reaktionswärme geschmolzen, die beim Verbrennen des Koks mit der Luft an den Luftdüsen entsteht. '
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Ab/Gl
Ein erfolgreicher Betrieb eines Hochofens erfordert einen Koks guter Qualität von gleichmäßiger Klumpengröße und erfordert außerdem entweder eine sortierte gute Eisenerzqualität in Klumpenform oder Kügelchen bzw. Pellets von praktisch gleichmäßiger Größe aus aufbereitetem Eisenerz.
Qualitativ hochwertige Eisenerze in Klumpenform und Hochofenkoks werden zunehmend teuerer und sind in manchen Gegenden schwer erhältlich. Man hat bereits eingesehen, daß das starre Erfordernis nach qualitativ hochwertigem Klurapenerz beseitigt werden könnte und kein Hochofenkoks mehr erforderlich wäre, wenn Eisenerze in einem geeigneten Reaktor durch anderwärts erzeugte reduzierende Gase reduziert werden könnten. Das gasförmige Medium für die Redukt'ion des Eisenerzes könnte durch partielle Verbrennung irgendeines beweglichen Brennstoffes erzeugt werden, einschließlich von natürlich vorkommenden oder künstlich erzeugten brennbaren Gasen, flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffen und in manchen Fällen von pulverisiertem Koks oder Kohle. In manchen Gegenden, insbesondere in der Nähe von Ölvorkommen, steht Erdgas reichlich und verhältnismäßig billig zur Verfügung, während diese Gegenden weit abliegen können von irgendwelchen Quellen für hochwertiges Klumpenerz oder von Kohle, die zur Herstellung von hochwertigem Koks geeignet ist. Es wurde auch schon vorgeschlagen, daß das Erz selbst in feinteiliger Form vorliegen könnte und daß die direkte Gasreduktion in einem Reaktor durchgeführt werden könnte, in dem das feinteilige Erz durch die Gase in einem fließfähigen Zustand bzw. einer Wirbelschicht gehalten wird. Durch Befolgung dieser Vorschläge wurden auch schon gewisse Erfolge erzielt. Aber die Versuche zur Ausführung der Reduktion mit Gasen und
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zum Schmelzen des freien Eisens ergaben zahlreiche Schwierigkeiten, während Versuche, feinteilige Eisenerze in einem Reaktor für fließfähige Feststoffe zu reduzieren, oft unbefriedigend waren, da viele Erze schwierig in den fließfähigen Zustand gebracht werden können. ' · s
Die künstlichen Kügelchen aus aufbereiteten Eisenerzen, die oben erwähnt wurden, werden im allgemeinen aus Takoniten hergestellt, einem verhältnismäßig minderwertigen aber reichlich vorkommenden Eisenerzmaterial. Die Takonite, die einen hohen Gehalt an Kieselsäure oder anderen Gangarten aufweisen, enthalten magnetisches Eisenoxyd. Daher ist es möglich, die Takonite sehr fein zu vermählen und dann das Erz durch magnetische Trennung.aufzubereiten. Das aufbereitete oder angereicherte Material kann dann auf verschiedeneWeise zu Kügelchen oder Stücken von ausreichender Größe für die Verwendung in einem Hochofen geformt werden (vergleiche "Proceedings of the Blast Furnace and Raw Materials Commitee of the A.I.M.M.E., Band 4, 1944, Seiten 46 bis 65). Das aufbereitete Eisenerz wird gewöhnlich zu kugelförmigen Pellets mit einem Durchmesser von etwa 9,5 mm geformt, die eine ausreichende Dauerhaftigkeit für Handhabung, Versand, Lagerung und Verwendung in einem Hochofen aufweisen. Derzeit werden Kügelchen hergestellt, die bis zu 67$ Eisen und nur 1,5$ Kieselsäure oder andere Gangarten enthalten. Auch ist es allgemein möglich, diese Kügelchen mit einem Kostenaufwand herzustellen, der, bezogen auf ihren Eisengehalt, mit den Kosten von Hochofenerz vergleichbar ist. Die Verwendung dieser Kügelchen im Hochofen war sehr erfolgreich.
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Die Erfindung betrifft nun die direkte Reduktion von Kügelchen dieser allgemeinen Art mit Gasen. Beim hier "beschriebenen Verfahren ist kein Hochofenkoks erforderlich und die Erzkosten pro Einheit gewonnenes Eisen sind nicht wesentlich größer als die Kosten von Hoohofenerz. Das hier beschriebene Verfahren stellt kein Schmelzverfahren dar, da das reduzierte Eisen im Verfahren selbst nicht geschmolzen wird. Es wurde jedoch festgestellt, daß die Kügelchen der angeführten Art der direkten Gasreduktion unterworfen werden können, ohne daß sie zerstört werden. Der beim Verfahren erreichte Reduktionsgrad kann mindestens etwa 97 bis 98<fo betragen, das Verfahren kann jedoch auch so durchgeführt werden, daß ein wesentlich niedrigerer Reduktionsgrad erhalten wird. Die reduzierten Kügelchen werden bei einer Temperatur abgegeben, die unter der Oxydationstemperatur in Luft liegt und die reduzierten Kügelchen sind zur Verwendung als Schmelzmasse, beispielsweise in einem Elektroofen, gut geeignet. Bekanntlich werden in vielen Gegenden, in denen Roheisen nicht zur Verfügung steht, Eisen- und Stahlprodukte durch Schmelzen von Schrott im Elektroofen hergestellt. Derart wieder geschmolzener Schrott ist im allgemeinen mit Premdmetallen verunreinigt und das erfindungsgeraäß erhältliehe Produkt eignet sich zum Verdünnen der Premdraetalle inderartigen Schrottschmelzen sowie zum Ersatz von Schrott, wo die wirtschaftlichen Gegebenheiten dies zulassen.
Die tatsächliche Reduktion der Kügelchen erfolgt in einem verlängerten senkrechten Schachtofen. Hierbei treten keine Schwierigkeiten auf, da die Kügelchen eine gleichmäßige Größe aufweisen. Da sie bei der Reduktion nicht zerfallen, läßt sich der Ofen gut mit ihnen beschicken, es tritt kein "Hängen" an den Ofen-
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wänden auf und es wird ein gleichmäßiger Kontakt der reduzierenden Gase mit allen Teilen der Beschickung ermöglicht.
Der Schachtofen weist ein Temperatürgefälle von einer in der Mitte gelegenen Heißzone sowohl gegen das obere als auch gegen das untere Ende des Schachtes zu auf. Die Reduktion erfolgt hauptsächlich in der Heißzone, wo die Temperatur im wesentlichen im Bereich von etwa 700 bis etwa 9800C (1300 bis 18000I1) liegt. Bei einer Verweilzeit von ungefähr 3 Stunden (sie ist ziemlich weit veränderlich in Abhängigkeit von verschiedenen Bedingungen einschließlich der Re'duktionskraft des Gases, der Gasflußgeschwindigkeit und dergl.j kann ■ in den Kügelchen ein hoher Reduktionsgrad erhalten werden. Das hier beschriebene Verfahren besitzt den Vorteil, daß es kontinuierlich ist, d.h. daß das Kügelchen am oberen Ende des Schachtes zugeführt werden und der Ofen kontinuierlich reduzierte Kügelchen abgeben kann, mit einer Geschwindigkeit, die von der Größe des Ofens und der in ihm gewünschten Verweilzeit abhängt.
Hauptziel der Erfindung ist eine bessere Ausnutzung des Brennstoffes und die Erzielung niedrigerer Betriebskosten bei einem Verfahren der unten beschriebenen Art.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines selbständigen Verfahrens in dem Sinn, daß seine Wirtschaftlichkeit nicht davon abhängt, ob große Mengen der im Verfahren erzeugten Gape, die noch Verbrennungswerte enthalten, anderweitig und für andere Zwecke verwendet werden.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, die einfacher und wirtschaftlicher als die bisher bekannten • sind.
Die Reduktion von Eisenerz durch Gase, die im wesentlichen aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff bestehen, hat eine Umwandlung von Kohlenmonoxyd zu Kohlendioxyd und eine Überführung von Wasserstoff in Wasserdampf zur Folge, begleitet von einer Verminderung des Reduktionspotentials der gasförmigen Mischung. Ein Kennzei-
φ chen der meisten bisher vorgeschlagenen Verfahren war die Rezirkulation der Gase. Durch Kühlung der rezirkulierten Gase kann die Feuchtigkeit weitgehend aus ihnen entfernt werden. Der Verlust an Kohlenmonoxyd.und Wasserstoff mußte jedoch auf irgendeine Weise wieder ausgeglichen werden. Gewöhnlich wird die Erzeugung von, reduzierenden Gasen durch die Teilverbrennung eines "beweglichen Brennstoffes vorgeschlagen. Gewöhnlich ist es jedoch notwendig, Sauerstoff an Stelle von Luft für die Verbrennung zu verwenden. Dies ist thermodynamisch wirkungsvoller, da das Vorhandensein und das Erhitzeii und Abkühlen von Inertgasen wie Stickstoff vermieden wird. Andererseits erfordert dieses Verfahren eine
P Sauerstoffabrik, die einen erheblichen Kostenfaktor darstellt.
In diesen bekannten Verfahren können die gekühlten rezirkulierten Gase, deren Reduktionspotential wieder etwas aufgefrischt wurde, mit den Verbrennungsprodukten gemischt werden. Andererseits ist es natürlich notwendig, aus dem System eine Gasmenge abzuzweigen, die den zugesetzten Verbrennungsprodukten minus allen Leckverlusten im System äquivalent ist.
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Ein Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens zur Reduktion von Eisenerzen mit Gasen, bei dem die Teilverbrennung eines beweglichen Brennstoffs oder die Anlage einer Sauerstoffabrik nicht erforderlich ist.
Es wurde bereits vorgeschlagen, den Kohlendioxydgehalt der verbrauchten Gase zurückzubilden.. Man nahm an, daß hierfür die Verwendung eines Katalysators erforderlich ist und im gegenwärtigen Stand der Technik wurden noch keine Katalysatoren entwickelt, die für diesen Zweck zufriedenstellend sind. Die Erfindung vermeidet auch die Verwendung von Dampf als Reformiermittel, wodurch weiter die beträchtlichen Kosten für die Entfernung von Wasser aus den reformierten Gasen und ihre Wiedererhitzung, bevor sie für Reduktionszweoke verwendet werden können, beseitigt werden.
Ein Ziel der Erfindung ist daher auch die Schaffung eines Verfahrens, bei dem eine nicht katalytische Rückbildung oder Reformierung des Kohlendioxyds erfolgt.
Diese und andere Ziele der Erfindung, die nachstehend auseinandergesetzt werden oder sich beim Lesen der Beschreibung ergeben, werden durch die bestimmte Bauart und Anordnung von Teilen und in dem Verfahren, von dem bestimmte beispielhafte Ausführungsforraen nun beschrieben werden, erhalten. Hierbei wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, die das erfindungsgemäße System schematisch wiedergibt.
Kurz gesagt hängt die Ausführung der Erfindung von der nicht katalytischen Reaktion von Kohlendioxyd und Methan
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(z.B. Erdgas) gemäß folgender Gleichung ab:
CO2 + CH4 * 2 CO + 2H2
Diese Reaktion verläuft nicht nur in der Hitze ohne Verwendung eines Katalysators sondern man erkennt auch, daß das Volumen der reagierenden Gase sich als Ergebnis der Umsetzung verdoppelt. Dies iet für das Verfahren selbst wichtig, da das zusätzliche Volumen Gase liefert, die sonst benötigt würden, um den Gasverlust im Verfahren auszugleichen.
In der beigefügten Zeichnung stellt 1 einen Schachtofen von geeigneter Bauart und Länge für die gasförmige Reduktion von Erzkügelchen dar. Die Kügelchen werden in den Ofen an seinem oberen .Ende eingeführt, wie durch die Bezugszahl 2 angezeigt wird. Gewöhnlich erfolgt dies portionsweise durch einen Doppeltrichtermeohanismus, der nicht gezeigt wird. Die Erzkügelchen werden im Ofen von reduzierenden Gasen reduziert, die im wesentlichen aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff bestehen und zwar bei erhöhten Temperaturen zwischen etwa 700 und etwa 9BC0C (1300 bis 18000F) und vorzugsweise zwischen etwa 815 und etwa 9800C. Die Obergase aus dem Ofen werden durch eine leitung 3 abgezogen und durch einen Gaswäscher 4, in dem sie gekühlt werden, eine Pumpe 5, die die Rezirkulation antreibt und einen Vasserseparator 6 geleitet.
Die abgezogenen Gase enthalten Kohlendioxyd, aber ihre Reduktionskapazität wurde durch die Beseitigung des größten Teils der Feuchtigkeit wesentlich verbessert. Die Gase strömen daraufhin durch die Leitungen 7 und 8 zur Verzweigung 9, die nicht gezeigte Ventile aufweist, wo ßie wahlweise durch die öfen 10 und 11 geführt werden können. Es werden zwar zwei Öfen gezeigt, gewünschtenfalls kann jedoch eine größere Anzahl vorgesehen werden.
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Vor dem Eintritt in einen Ofen werden die im Kreislauf zurückgeführten Gase mit Erdgas angereichert, welches, wie "bei 12 gezeigt, in das System gelangt und vorzugsweise wird eine zum Kohlendioxydgehalt für die oben erwähnte Reaktion stöchiometrische Menge zugesetzt.
Die Öfen 10 und 11 sind in der Bauart den Öfen eines Hochofens ähnlich, indem sie mit feuerfestem Material ausgekleidete Gefäße darstellen, die mit schachbrettartig angeordneten Ziegeln oder mit feuerfesten Kugeln oder anderen Formen, die einen freien Durchtritt der Gase sicherstellen, gefüllt sind. Da die im Kreislauf zurückgeführten Gase gekühlt wurden, besteht die Funktion der Öfen darin, die wiederhergestellten Gase auf einen für die Reduktion günstigen Temperaturbereich zu erhitzen und das Ablaufen der Reaktion zwischen Kohlendioxyd und Methan zu bewirken. Jeder Ofen weist einen oder mehrere Brenner und einen Kamin zum Abziehen der Verbrennungsprodukte auf. Diese Teile werden nicht gezeigt, da sie ohne weiteres verständlich sind. Sie weisen entweder von Hand oder automatisch betätigte Ventile auf. Es ist klar, daß ein Ofen oder eine Ofengruppe innerlich durch Verbrennung erhitzt werden, worauf die Brenner abgeschaltet, der Kamin geschlossen und die Verfahrensgase durchgeschickt werden, um wie beschrieben erhitzt und umgesetzt zu werden.
Die Ofentemperatur liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 1090 bis 165O0C (2000 bis 30000P), wobei die obere Grenze durch das Baumaterial gezogen wird.
Es ist erforderlich, einen Teil des Gases aus dem System abzuzweigen, um die zusätzlichen Volumen an reformierten Ga'sen auszugleichen, die durch die Erdgaszufuhr 12 und die Umsetzung in dem oder den Betriebsöfen erzeugt werden.
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Der oder die öfen, die zu Zeiten erhitzt werden müssen, können die abgezweigten Gase als Brennstoff zusammen mit zusätzlichen Erdgasmengen oder einem anderen beweglichen Brennstoff, je nach den Erfordernissen, verwenden. Pur die Verbrennung kann Luft verwendet werden und die Verbrennung kann vollständig sein, da die Verbrennungsprodukte lediglich in die Atmosphäre abgelassen werden und nicht in das Rezirkulationssystem eintreten.
Die erhitzten Verfahrensgase werden bei 14 gesammelt und über eine leitung 15 in den Ofen zur Reduktion wei-φ terer Erzkügelchen zurückgeleitet.
Es ist möglich, eine Nebenleitung 16 für die gekühlten Obergase bzw. Topgase zur Leitung 15 vorzusehen. Auf diese Weise können die verhältnismäßig kühlen Obergase dazu verwendet werden, durch Betätigung von Ventilen das Auftreten zu hoher Temperaturen in den Verfahrensgasen zu verhindern.
Aus der Zeichnung läßt sich erkennen, daß der Schachtofen als aus zwei Teilen bestehend dargestellt wird, einem Oberabschnitt 1, in dem die Erzkügelchen reduziert 0. werden, und einem Unterabschnitt 1a, der einen Kühlabschnitt darstellt. Die heißen Verfahrensgase werden in den Ofen am Boden des Reduzierabschnittes eingeführt. Es ist jedoch günstig, einen anderen Teil der gekühlten Obergase durch eine Leitung 17 in den unteren Teil des Kühlabschnitts 1a einzuführen.
Hierdurch wird die Kühlung der reduzierten Erzkügelchen in einer Schutzatmosphäre bezweckt, vorzugsweise bis sie eine Temperatur erreicht haben, die niedrig genug ist, um eine LuftOxydation nach dem im Auslaß der reduzierten Kügelchen, wie bei 18 gezeigt, zu verhindern.
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Außerdem ist es möglich, die gekühlten Obergase, welche in den untersten Teil des Ofens gelangen, durch Zusatz von Erdgas oder einem anderen Methan-reichen Produkt, wie bei 19 gezeigt, anzureichern. Es stellte sich heraus, daß die angereicherten Obergase durch die absinkenden Kügelcäen erhitzt werden, w.obei die Kügelchen selbst als Katalysator wirken und das Auftreten einer Reforraierreaktion ähnlich der oben erläuterten bei einer niedrigeren Temperatur im Kühlabschnitt des Ofens ermöglichen. Auf diese Weise erfolgt in nützlichem Maße eine Reformierung, obwohl das Ausmaß dann natürlich nicht so groß ist als in den Hochtemperaturöfen.
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Claims (1)

  1. Patent an Sprüche
    1, Verfahren zur gasförmigen Reduktion von Eisenerzen in Form von Kügelchen unter Verwendung eines Schachtofens zu Eisen mittels eines Kohlenmonoxyd und Wasserstoff enthaltenden Gasgemisches in einer Reduktionszone bei erhöhter Temperatur unter Bildung von Kohlendioxyd und Wasserdampf in dem Gasgemisch, bei dem die Gichtgase regeneriert werden, indem man sie aus der Reduktionszone abzieht, abkühlt, mit einem Methan enthaltenden Gas anreichert, in der ange-φ reicherten Form durch Erhitzen eine Umsetzung zwischen dem Kohlendioxyd und dem Methan unter Bildung von Kohlenmonoxyd ν und Wasserstoff herbeiführt und die regenerierten Gase in die Redukt ions zone zurückführt-, dadurch gekennzeichnet, daß man die während der Abkühlung von Wasser befreiten, mit Methan angereicherten Gichtgase in den untersten Abschnitt des Reduktionsofens einführt, in dem sie mit den nach unten sinkenden, reduzierten Erzkügelchen in Kontakt kommen, welche die Gichtgase erhitzen und als Katalysatoren für die Einleitung der Reformierreaktion bei einer niedrigeren Temperatur im Kühlabschnitt des Schachtofens sorgen.
    ^ 2, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An-™ spruch 1, gekennzeichnet durch einen Schachtofen für die Reduktion von Eisenerzen in Form von Kügelchen, eine Einrichtung zum Einführen der Erzkügelchen in den Schachtofen und zur Entnahme der reduzierten Erzkügelchen ohne öffnen des Schachtofens unter Ausschluß von Luft, ein Rezirkulationssystem für die Gichtgase aus dem Schachtofen, das aus einer Gastransporteinrichtung, einer Kühl- und Kondensiereinrichtung zur Entfernung des Wassers aus den Gichtgasen besteht, eine Einrichtung zur Regenerierung der Gichtgase,
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    die aus einer Zuführungseinrichtung für methanhaltiges Gas besteht, sowie eine Einrichtung zur Rückführung der regenerierten Gichtgase in den Schachtofen.
    3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schachtofen einen unteren Kühlabschnitt mit einer Einrichtung aufweist, mit deren Hilfe es möglich ist, einen Teil der gekühlten Gichtgase in den Kühlahschnitt des Schachtofens zurückzuführen·
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